馬興全 王志鑠 孫 杰 李 濤 李 源蔡穎哲 夏修軍 趙顯剛

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通過斷層氣氫探測(cè)新鄭-太康斷裂的淺層位置1

馬興全 王志鑠 孫 杰 李 濤 李 源蔡穎哲 夏修軍 趙顯剛

（河南省地震局，鄭州450016）

新鄭-太康斷裂隱伏于河南省東部平原下，是一條規(guī)模較大的北西向斷裂帶，曾于2010年發(fā)生太康4.7級(jí)地震，確定該斷裂準(zhǔn)確的淺層位置對(duì)防震減災(zāi)具有重要意義。根據(jù)深部石油勘探資料，應(yīng)用德爾格X-am 7000型多氣體檢測(cè)儀，在新鄭地區(qū)布置2條與斷裂走向近垂直的地球化學(xué)測(cè)線進(jìn)行土壤氫氣濃度測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)解放路和馬莊村-前宮村測(cè)線異常點(diǎn)位處氫氣濃度分別為背景值的16—33倍和40—50倍。2條H2濃度曲線同步解釋出一條傾向變化、寬約150m的走滑斷裂帶，位置與石油勘探資料吻合良好。此次研究表明利用斷層氣氫探測(cè)隱伏斷裂的淺層位置在該區(qū)具有較好的可行性。

新鄭-太康斷裂地球化學(xué)探測(cè)氫氣隱伏斷裂石油勘探資料

引言

中國大陸東部斷裂系統(tǒng)是由一系列北東和北西走向斷裂構(gòu)成的共軛剪切破裂系統(tǒng)，其中北西向斷裂處于破裂初期，活動(dòng)性較強(qiáng)，多斷續(xù)，集中成帶分布并一定程度上控制著中強(qiáng)地震的發(fā)生（邵云惠，1980；李祖武，1983；馮希杰，1988；徐杰等，2003）。針對(duì)該組斷裂的研究成果將對(duì)防震減災(zāi)產(chǎn)生重要意義。由于平原區(qū)NW向斷裂都是隱伏斷裂，所以對(duì)其具體位置尚需更深入的研究。通過測(cè)量斷層氣來探測(cè)隱伏斷裂帶已成為行之有效的方法之一，目前已在多條隱伏斷裂探測(cè)工作中取得了良好的效果（汪成民等，1991；陳剛等，1995；蘇鶴軍等，2005；劉菁華等，2006；邵永新等，2007；姚道平等，2008；劉學(xué)領(lǐng)等，2011；馮軍等，2011；張慧等，2013）。該方法將斷裂視為天然地質(zhì)體中連接深部與淺部的“通道”，大量深部氣體如H2、Rn和Hg氣等可經(jīng)該通道向上逸出，導(dǎo)致以上氣體濃度在斷裂位置附近異常升高，利用該原理則可通過圈定斷層氣異常點(diǎn)位來探測(cè)斷裂的空間位置。

研究區(qū)位于華北平原西部，區(qū)內(nèi)第四系厚度達(dá)150—300m以上（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989）。新鄭-太康斷裂為一條北西向隱伏斷裂（王志鑠等，2017），由于缺乏系統(tǒng)的淺層地震勘探和鉆孔資料，目前對(duì)其空間展布仍然存在爭(zhēng)議。本次在利用石油勘探資料對(duì)新鄭-太康斷裂進(jìn)行深部定位的基礎(chǔ)上，在新鄭地區(qū)布置2條與斷層走向近垂直的地球化學(xué)測(cè)線，通過測(cè)量土壤中的H2濃度并分析H2分布特征，以確定該斷裂的淺層位置。

1　區(qū)域地震地質(zhì)背景

太康隆起西接豫西隆起，東鄰魯西隆起，南北分別為周口坳陷和開封坳陷。該區(qū)是豫西隆起與魯西隆起延伸、連接的過渡單元，其基底以元古代五指嶺組花崗片麻巖、黑云母片麻巖為主，上覆震旦系堅(jiān)硬的安山玢巖（河南石油勘探指揮部地質(zhì)大隊(duì)，1976），進(jìn)入新生代以來該區(qū)整體下沉并伴隨強(qiáng)烈的斷裂活動(dòng)（石油化工部物探局，1975）。南部周口坳陷是第三系及上古生界的沉積坳陷，基底埋深約3—6km，巖性以五指嶺組片巖、嵩山組石英巖和登封雜巖為主（燃化部六四六廠研究所，1972）。其內(nèi)部發(fā)育多條具有一定規(guī)模的北西向隱伏斷裂（圖1），如登封-西華斷裂（F4）和臨潁-鄲城斷裂（F5），將周口坳陷切割為多個(gè)次級(jí)凹陷與凸起。

新鄭-太康斷裂（F1）起于新鄭市北，向東經(jīng)鄢陵，延伸至太康縣以南，長(zhǎng)147km，是太康隆起和周口坳陷的分界斷裂（圖1）。最新的深部石油勘探資料表明該斷裂整體傾向北，傾角較陡，在東段顯示出正斷特征，中段和西段表現(xiàn)為逆斷層。新鄭-太康斷裂在淺部向上分叉，與北部次級(jí)斷裂組合為負(fù)花狀構(gòu)造，具有明顯的離散走滑特征，且新近紀(jì)以來活動(dòng)明顯，新近系底界斷距可達(dá)150m（圖2，據(jù)河南油田勘探開發(fā)研究院內(nèi)部資料）。

此外，周口坳陷內(nèi)發(fā)生過多次5.0—6.0級(jí)地震，地震活動(dòng)水平略高于太康隆起，區(qū)內(nèi)最新的地震為2010年太康4.7級(jí)地震，震中位置見圖1（a），發(fā)震構(gòu)造為新鄭-太康斷裂（孫杰等，2014）。

2　探測(cè)實(shí)施與結(jié)果

2.1探測(cè)儀器及測(cè)試方法

本次H2測(cè)試采用的儀器為德國德爾格公司生產(chǎn)的X-am 7000型多氣體檢測(cè)儀，傳感器為電化學(xué)傳感器，當(dāng)氣體擴(kuò)散進(jìn)入傳感器后，在反應(yīng)電極表面經(jīng)過氧化或還原反應(yīng)產(chǎn)生電流，并通過外電路流經(jīng)2個(gè)電極，可通過外電路的負(fù)荷電阻測(cè)量氣體濃度。該傳感器可檢測(cè)H2濃度上限為2000ppm，靈敏度為5ppm，測(cè)量誤差±5%。該儀器穩(wěn)定性和抗干擾能力均較強(qiáng)。

測(cè)線位置選擇在新鄭市解放路路側(cè)和馬莊村-前宮村的村間道路旁，測(cè)線位置見圖1（b），附近無污染源，地下水位穩(wěn)定，埋深約10—15m。測(cè)量前，先對(duì)儀器進(jìn)行校正，穩(wěn)定后開始測(cè)量。測(cè)量時(shí)，先用錘將1.2m的鋼釬打入土中成孔，拔出后立即將錐形麻花鉆收集管擰入土中封孔，土壤氣體通過錐形麻花鉆收集管、膠皮管后進(jìn)入測(cè)試儀器，由于H2比重小，逸出迅速。測(cè)量多次取峰值作為最終結(jié)果。

2.2數(shù)據(jù)處理及斷裂淺部定位

異常值的判定采用數(shù)值分析法，考慮到：①測(cè)試區(qū)附近無污染源，空氣中H2濃度背景值較低（2.113—5.998ppm）；②松散的第四系覆蓋較厚，H2逸出條件復(fù)雜多變；③該斷裂東段（太康段）向上延伸并分叉形成花狀構(gòu)造，分支斷裂數(shù)目多且規(guī)模不等（中國地震局地球物理勘探中心，2015），同時(shí)斷裂兩側(cè)裂隙發(fā)育，氣體的逸出通道彼此相連或?qū)?dǎo)致產(chǎn)生于次級(jí)斷裂深部的H2沿逸出條件更好的主斷裂逸出，即氣體發(fā)生偏移，我們認(rèn)為異常值下限定得過高會(huì)導(dǎo)致部分次級(jí)斷裂信息的丟失，因此將平均值與1倍標(biāo)準(zhǔn)差之和、平均值與2倍標(biāo)準(zhǔn)差之和綜合考慮來劃分異常。

斷層的活動(dòng)性質(zhì)、幾何特征（Ciotoli等，2007）以及破碎帶和斷層的發(fā)育程度（King等，1996；Annunziatellis等，2008）在一定程度上決定了地下裂隙的產(chǎn)生、分布及閉合，進(jìn)而通過改變地下通道的連通狀況來影響氣體由深至淺的遷移過程。斷層氣濃度曲線蘊(yùn)含豐富的地質(zhì)信息，以下將對(duì)2條測(cè)線分別進(jìn)行討論：

（1）解放路測(cè)線

該測(cè)線位于新鄭市西北解放路路側(cè)（圖1（b）），共39個(gè)測(cè)點(diǎn)，長(zhǎng)2035m，平均測(cè)點(diǎn)間距50m，當(dāng)H2濃度明顯高時(shí)，加密到每25m一個(gè)測(cè)點(diǎn)。至測(cè)線兩端，測(cè)點(diǎn)間距擴(kuò)大至100m。

表1　解放路測(cè)線異常點(diǎn)位及類型

各測(cè)點(diǎn)H2濃度的平均值=214.6ppm，標(biāo)準(zhǔn)差=341.4ppm，我們將濃度高于+2的異常點(diǎn)定為A類異常，表示異常幅度大，異常形態(tài)明顯，對(duì)應(yīng)規(guī)模較大的斷裂；將高于+的異常點(diǎn)定為B類異常，該類異常幅度稍小，對(duì)應(yīng)規(guī)模稍小的次級(jí)斷裂。該測(cè)線異常點(diǎn)位置及類型見表1，解釋后的斷裂見圖3。H2濃度在310m處異常高（1901ppm），為A類異常，且明顯高于兩側(cè)，反映氣體的逸出條件向兩側(cè)逐漸變差，破碎帶集中在一個(gè)較窄的范圍，故判斷該處發(fā)育近直立的走滑斷裂（Ciotoli等，2007）；在760m與1035m處H2濃度接近（分別為789ppm和814.1ppm），為B類異常，在氣體濃度曲線上表現(xiàn)出“雙峰”態(tài)。由于新鄭-太康斷裂長(zhǎng)期活動(dòng)，帶內(nèi)充分發(fā)育斷層泥等細(xì)粒物質(zhì)導(dǎo)致斷裂帶滲透性降低，氣體繞過滲透性低的斷層帶而從其兩側(cè)逸出，造成860—1010m間H2濃度低（340—360ppm）的現(xiàn)象，該處對(duì)應(yīng)斷裂帶（King等，1996；Annunziatellis等，2008），其寬約150m。H2濃度在1035m處向北迅速下降，判斷該斷裂帶傾向北。根據(jù)異常類型判斷，該斷裂帶的規(guī)模、活動(dòng)性不及南部的走滑斷裂（張大其，1991；孟廣魁等，1997；焦德成等，2012）。

平面上，將各異常點(diǎn)位置與斷裂深部資料相比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，北部斷裂帶位置與斷裂深部位置吻合較好。該測(cè)線H2濃度的高異常準(zhǔn)確地反映了斷裂的淺層位置（圖3）。

（2）馬莊村-前宮村測(cè)線

該測(cè)線位于解放路測(cè)線的東南（圖1（b）），測(cè)線長(zhǎng)2125m，共35個(gè)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)間距在測(cè)線兩端為100m，高值附近加密到每25m一個(gè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)間H2濃度平均值為256.8ppm，標(biāo)準(zhǔn)差為302.7ppm。測(cè)線異常點(diǎn)位及類型見表2，解釋后的斷裂見圖4。

表2　馬莊村-前宮村測(cè)線異常點(diǎn)位及類型

根據(jù)表2，該測(cè)線共有2處A類異常：H2濃度在測(cè)線1225m和1475m處分別為1250ppm和1210ppm，在濃度曲線上表現(xiàn)出與解放路類似的“雙峰”形態(tài)，1275—1425m之間H2濃度低（25—175ppm），對(duì)應(yīng)斷裂帶寬約150m。自1175m處向南H2濃度逐漸下降，故判斷該斷裂帶傾向南。900m附近存在一處B類異常，H2濃度為600ppm，對(duì)應(yīng)活動(dòng)性稍弱的次級(jí)斷裂（圖4）。

斷裂在該段的深部位置由TK-94-237.5測(cè)線和TK-94-244.5測(cè)線控制，可以看到H2濃度異常點(diǎn)位置與石油勘探資料確定的斷裂深部位置吻合較好，前者較準(zhǔn)確地反映了斷裂的淺層位置。

對(duì)比解放路和馬莊村-前宮村H2濃度曲線可知，2條H2濃度曲線解釋出了相近的斷裂組合，即北部存在寬約150m的斷裂帶，以及向南約325—450m處發(fā)育的單支斷裂。不同之處在于斷裂帶的傾向：解放路H2濃度曲線顯示斷裂帶北傾，而馬莊村-前宮村H2濃度曲線顯示斷裂帶傾向南，傾向的變化表明新鄭-太康斷裂具有明顯的走滑特征（漆家福等，2003；宋明春等，2015）。

不僅如此，我們還發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：

就單一測(cè)線而言，解放路H2濃度曲線表明該處南部的斷裂規(guī)模更大、活動(dòng)性更強(qiáng)，而馬莊村-前宮村H2濃度曲線則表明該處北部斷裂帶的規(guī)模更大、活動(dòng)性更強(qiáng)；就H2濃度沿?cái)嗔炎呦虻淖兓?guī)律而言，由北西向南東，北部斷裂帶的H2濃度升高，而南部斷裂的H2濃度降低。

3　結(jié)論與討論

通過圈定和分析解放路與馬莊村-前宮村測(cè)線上H2濃度的異常點(diǎn)，與深部石油勘探資料相對(duì)比，獲得的主要結(jié)論如下：

（1）2條測(cè)線出現(xiàn)的高水平H2點(diǎn)位與石油勘探資料確定的斷裂深部位置吻合度較高，準(zhǔn)確地反映了斷裂的淺層位置。

（2）2條測(cè)線同步解釋出一條走滑斷裂，以及其北部發(fā)育的一條寬約150m、產(chǎn)狀變化的斷裂帶，產(chǎn)狀變化與其走滑性質(zhì)有關(guān)。

值得注意的是，就氣體濃度沿?cái)嗔炎呦虻淖兓?guī)律而言，由北西向南東，北部斷裂帶H2濃度升高，而南部斷裂的H2濃度降低。在氣體逸出條件相近的前提下，南、北2條斷裂的活動(dòng)性呈“此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系?？紤]到2條測(cè)線相距約20km，我們認(rèn)為這2條測(cè)線可能位于一組左旋左階斷裂的階區(qū)部位。但由于受到測(cè)線密度的限制，該結(jié)論有待進(jìn)一步證實(shí)。

此外，關(guān)于該區(qū)氫氣來源的問題亦值得討論。華北地臺(tái)具有由結(jié)晶基底和沉積蓋層組成的“雙重結(jié)構(gòu)”（翟明國，2011；朱日祥等，2012；滕吉文等，2014）：中條運(yùn)動(dòng)形成的結(jié)晶基底及上覆未經(jīng)變質(zhì)的中元古代以來的沉積蓋層，蓋層以碳酸鹽巖和碎屑巖為主，而這些巖層中產(chǎn)生的H2微不足道（Ware等，1984）。目前已有大量實(shí)驗(yàn)表明，H2與CO2和CH4不同，其主要為無機(jī)過程的產(chǎn)物（Giardini等，1976；Ruff等，1980；Sugisaki等，1983）。構(gòu)造應(yīng)力作用下，破碎的礦物如石英（Hughes-Schrader等，1961；Wakita等，1980）、長(zhǎng)石及硅酸鹽礦物（Sugisaki，1980）表面的原子團(tuán)與滲入裂隙中的水反應(yīng)可以生成H2（Scharder機(jī)制，即Si+H2O→Si-OH+H2），含有黑云母的花崗巖可釋放更多的H2（Sugisaki等，1983）。前已提及，太康隆起的沉積蓋層下為震旦系火成巖、以花崗片麻巖及黑云母片麻巖為主的結(jié)晶基底，富含石英、黑云母等礦物，在動(dòng)力破碎后通過反應(yīng)釋放出的大量H2，可能是本區(qū)土壤氫氣的主要來源，由此可初步判斷新鄭-太康斷裂至少為發(fā)育于上地殼的斷裂，但由于缺乏更廣泛、更精確的斷層氣及鉆孔資料，該結(jié)論有待進(jìn)一步研究和證實(shí)。

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Ma Xingquan, Wang Zhishuo, Sun Jie, Li Tao, Li Yuan, Cai Yingzhe, Xia Xiujun and Zhao Xian’gang

(Earthquake Administration of Henan Prorince, Zhengzhou 450016, China)

The Xinzheng-Taikang Fault, striking NW, as a buried fault beneath the eastern plain, is a large-scale fault which induced the earthquake,L4.7 in 2010, Taikang county, causing 12 wounded. Confirming the shallow location of the fault is of great significance to seismic hazards defensing. We launched 2 geochemical survey lines across the fault in the Xinzheng area based on the knowledges from Petroleum exploration data, and the outcomes indicated the concentration of H2at abnormal points in the Jiefang Road survey line is 16—33 times over the background level, while the times of the Mazhuang-Qiangong survey line is 40—50. The two survey lines indicate similar structures of the fault belt, spanning about 150m, and varied inclination and might be filled with fault-clay so as to influence the migration of the gas. More important, the shallow location of the fault from concentration curve of H2interpretation fits well with that on deep seismic profiles. The research comes out the conclusion that the distribution of the fault gas, H2is an efficient indicator of the location of buried faults in similar area.

Xinzheng-Taikang fault; Geochemical exploration; Hydrogen; Buried fault; Petroleum exploration data

1基金項(xiàng)目 中國地震局“許昌-太康斷層活動(dòng)構(gòu)造探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)”與“朱夏、商丹斷裂帶氣體強(qiáng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)研究”聯(lián)合資助

2016-12-12

馬興全，男，生于1987年。工程師。主要研究領(lǐng)域?yàn)闃?gòu)造地貌與活動(dòng)構(gòu)造。E-mail：568046846@qq.com

王志鑠，男，生于1967年。副研究員，主要研究方向地球物理與地震預(yù)測(cè)。E-mail：516494347@qq.com

馬興全，王志鑠，孫杰，李濤，李源，蔡穎哲，夏修軍，趙顯剛，2017．通過斷層氣氫探測(cè)新鄭-太康斷裂的淺層位置．震災(zāi)防御技術(shù)，12（2）：354—362．doi：10.11899/zzfy20170212